光学微粒传感器的制作方法

1.本发明涉及介质流体内(即，液体或气体内)的微粒的测量及分析。具体地，本发明涉及对用于此检测的方法及装置的改进。一些实施例具体涉及检测烟雾，例如，用于检测火灾，但本发明整体上不限于此。


背景技术：

2.检测、测量及分析流体中的杂质和/或微粒对于许多不同应用(工业上及对于消费者)而言是重要的。工业应用包含在充填气缸时或在运输、分析供水或对洁净室进行质量控制期间测量气体的粒子含量。消费者应用包含家庭通风系统(例如，当房间中的粒子达到阈值水平时启动通风)及烟雾检测。
3.当检测火灾时，检测明火(open flame)及焖火(smouldering fire)两者是重要的。焖火可在具有极少空气供应的情况下开始并蔓延，且在存在高热量及燃料源的任何地方都可能被点燃，例如，在发生故障的电子装置中(其中因故障引起热量，且燃料源是装置本身)，或在滚筒干燥机(tumble drier)中(其中在正常操作期间存在热量，但故障可引起热源处存在燃料)。虽然焖火引起相对较小的直接损坏，但它们可能蔓延成较大火灾，且相较于明火(例如，使用灭火器)通常可使用相对简单的对策来防止焖火(例如，关闭发生故障的电气设备件)。
4.如图1中所展示的现代烟雾检测器使用定位于腔室内的光源101(通常为红外led)及光学传感器102(通常为光电二极管)。腔室经塑形以容许空气流动通过，同时防止不需要的光到达传感器。腔室可由外壳体103、阻挡外部光的“暗壳体”104和容纳led及光电二极管的散射腔室105形成。来自led的光106通常未被引导至传感器，但在烟雾107进入腔室时，来自led的光被散射108，从而在传感器处产生信号，该信号接着触发警报。
5.微粒的散射高度取决于微粒大小。该大小确定在哪一波长下，微粒将根据米氏(mie)散射或根据瑞利(rayleigh)散射来散射。两种散射原理具有图2中所绘示的不同散射形状横截面。各种微粒的散射效率取决于用于散射微粒的波长(或取决于用于检测微粒的波长)。一些光学烟雾(或微粒检测器)在其中大多数微粒展示具有大前向效率的米氏类型散射的近红外波长范围内起作用。依～135
°
放置检测器仍将获得不受入射光源影响的大部分散射光。较小微粒将主要展示瑞利散射，其中后向散射效率及前向散射效率两者同样强。对于小微粒，依135
°
观察散射将导致信号，使得成一窄得多的角度45
°
的额外传感器应导致等量的信号(例如，针对球形微粒)。对于较大微粒，45
°
处的信号将小于135
°
处的信号。这容许区分微粒大小，其被用于防止灰尘导致错误警报(因为灰尘的直径一般大于1微米，且烟雾微粒一般小于1微米，但这些阈值可取决于预期火灾类型、预期环境(例如，灰尘有多少)及对错误警报对比降低的灵敏度的容忍度而调整)。然而，此装置仍无法区分烟雾与水蒸气，且额外检测器使其体积更大且不太能够装配于标准壳体内。
6.这些现有烟雾检测器具有若干常见缺点：
7.·
它们产生许多错误警报，包含因水蒸气或水滴产生错误警报。
8.·
进入测量腔室中的灰尘或沉降于腔室中的烟雾可能引起污染，污染可导致错误警报、灵敏度降低或甚至功能完全丧失(例如，若灰尘阻挡光源)。
9.·
组件老化(以及灰尘污染)将引起检测器灵敏度的变化。这一般藉由定期保养或更换或藉由对检测阈值进行时间相关调整来补偿。
10.·
该设计需要空气进入测量腔室，但排除外部光，这需要减少至检测器的气流的复杂“迷宫”结构。这也引起检测器体积大，从而使得它们一般很难看，这引起使用者将它们放在一边，从而进一步减小气流。
11.·
增加的检测时间(例如，归因于至传感器的气流不足，或灵敏度降低或用以减少错误警报的较长测量周期)引起警报触发(set-off)太迟，这可导致烟雾中毒。
12.·
另外，当前检测器无法分析及指示自焖火至明火的火灾阶段及进展。
13.·
仅存在有限数量的警报警告阈值，例如，烟雾正在积聚的警示，及有可能发生火灾的警示。检测器可确定存在火灾，但无法确定火灾阶段或可能原因。这使得使用者难以确定应对火灾的正确对策。
14.因此，需要一种避免至少一些上述缺点的检测器。


技术实现要素：

15.根据本发明的第一方面，提供一种微粒检测器。该微粒检测器包括一个或多个光源、光学传感器以及控制器。该一个或多个光源可共同操作以同时产生至少两个波长范围的发射光。该光学传感器被配置为感测由该一个或多个光源发射的该至少两个波长范围的光并且区分每个范围。该控制器被配置为基于由该光学传感器感测的该光来检测微粒。
16.该控制器可进一步被配置为：获得背景测量值，该背景测量值是由该光学传感器在该一个或多个光源未产生光时的时期期间感测的光的测量值；以及基于该背景测量值调整从该光学传感器接收的未来测量值。
17.替代地，控制器可进一步被配置为：获得背景测量值，该背景测量值是由该光学传感器在该一个或多个光源未产生光时的时期期间感测的光的测量值；以及确定其中该背景测量值可接受的该至少两个波长范围的发射光的一个或多个波长范围，并且基于由该光学传感器感测的仅在该一个或多个波长范围内的光来检测微粒。
18.该一个或多个光源可以是脉冲化的，并且该控制器可被配置为获得在每个脉冲的关断周期期间的背景测量值。
19.该一个或多个光源可发射频率调制光，并且该控制器被配置为对该传感器的该测量值施加对应解调制。
20.该一个或多个光源和该光学传感器可以不在壳体内。
21.该光源可以以脉冲发射光，并且该控制器可被配置为基于该光源的脉冲的起始与由该光学传感器感测的该光中的脉冲的起始之间的时间差来确定经检测微粒的距离。
22.该控制器可被配置为基于在该波长范围的每一个处感测的该光之间的差异来区分微粒大小。
23.该微粒检测器可为烟雾检测器。
24.该控制器可被配置为基于比较在该两个或更多个波长范围的第一波长范围和第二波长范围中感测的光来区分烟雾与水。
25.该控制器可被配置为确定在第一波长范围中感测的光与在第二波长范围中感测的光的比率，并且基于该比率区分烟雾与水。
26.第一波长范围可在可见光谱内，并且第二波长范围可在近红外光谱内。
27.该控制器可被配置为比较由该光学传感器感测的光与一个或多个先前确定的简档(profile)，每个简档包括关于由该传感器在火灾期间感测的光随时间的预期演变的信息，并且如果由该光学传感器感测的该光的时间演变对应于该简档之一，则发信号通知检测到火灾。
28.根据本发明的第二方面，提供一种在其内集成有烟雾检测器的电子装置，其中该烟雾检测器被配置为在检测到烟雾时切断至该电子装置的其他组件的电源。
29.该烟雾检测器可为根据第一方面的微粒检测器。
30.该电子装置可为以下之一：
31.电动汽车；
32.干燥机(dryer)；
33.烤箱；
34.电子烟；
35.咖啡机。
36.根据第三方面，提供一种在其内集成有根据第一方面的微粒检测器的通风系统，其中该微粒检测器被配置为检测通过该通风系统的气流中的烟雾。
37.根据第四方面，提供一种检测火灾的方法。提供微粒检测器，该微粒检测器能够检测烟雾微粒并且确定经检测微粒的大小。比较来自该微粒检测器的测量值与一个或多个先前确定的简档，每个简档包括关于火灾的微粒大小和密度随时间的预期演变的信息。如果该检测器的该测量值的时间演变对应于该简档之一，则发信号通知检测到火灾。
38.每个简档可对应于特定火灾阶段和一个或多个材料的燃烧。
39.发信号通知检测到火灾可包括：指示对应于经识别简档的火灾阶段。
40.该简档可包括以下的一个或多个：
41.指示焖烧(smouldering)电子器件的简档，其中微粒大小和密度随时间的预期演变是在0.001微米至0.1微米范围内的微粒的上升密度；
42.指示明火的简档，其中微粒大小和密度随时间的预期演变是大于0.1微米的微粒的快速上升密度。
43.相较于背景技术中所描述的已知系统，此处所公开的本发明微粒检测器具有以下优点：
44.1.能够区分微粒大小和/或不同类型的微粒(例如，烟雾对比水)。
45.2.针对类似灵敏度水平减少检测时间。
46.3.可使检测器更紧凑，并且可在没有壳体的情况下使用检测器。
47.最后，此处所公开的本发明的微粒检测器利用新颖方法，至少在于其包括被配置为感测至少两个波长范围的光并且区分每个范围的光学传感器。
附图说明
48.现将仅藉由示例且参考附图描述本发明，附图中：
49.图1展示传统烟雾检测器；
50.图2绘示各种散射类型，以及它们如何取决于微粒大小和散射光的波长；
51.图3a及图3b展示在检测烟雾和水期间从示例性检测器获得的结果；
52.图4展示在检测烟雾和水期间从另一示例性检测器获得的结果；
53.图5展示示例性微粒测量装置；
54.图6绘示在由电子器件引起的火灾期间的微粒大小的进展；
55.图7是示例性微粒检测器的示意图；
56.图8是示例性方法的流程图。
具体实施方式
57.本文中将描述对微粒检测器的若干改进。将了解，虽然为便于理解示例，主要就烟雾检测器进行描述，但技术也与其他流体(即，液体或除空气外的气体)中的其他微粒的检测有关。还将了解，所列出的改进可分开应用，并且虽然它们之间可存在协同效应，但除非另有说明，否则存在一种改进不需要存在任何其他改进。
58.多波长检测
59.可对微粒检测进行的第一改进是使用多个波长的光(即，分开检测至少两个波长通道中的散射光)。如下文将更详细描述，这容许改进的大小区分，并且也容许区分物质(例如，区分水、烟雾和/或灰尘)。
60.多波长检测使用发射在每个目标波长下的光的光源(或光源组合，它们在一起发射所有目标波长下的光)，以及针对多个不同波长或波长范围的每一个给出强度读数的光谱传感器或另一光学传感器或传感器阵列。
61.尤其有用的配对是：在可见光谱中的波长(380nm至740nm)，例如，400nm至600nm，具体地470nm或550nm；以及在近红外(nir)光谱中的波长(780nm至2500nm)，例如，在范围900nm至1500nm或900nm至1150nm中，具体地910nm的波长。使用这些波长容许区分烟雾与水滴。图3a及图3b展示从910nm/550nm传感器获得的结果。图3a展示910nm处的散射信号(被调整为零基线)，并且图3b展示910nm处的散射信号与550nm处的散射信号的比率。
62.当烟雾301被引入至腔室中时，910nm信号增加，910nm信号与550nm信号之间的比率也增加。当水302被引入至腔室中时，910nm信号也增加(这将引起单波长传感器中的错误警报)，但910nm信号与550nm信号之间的比率降低。这容许区分烟雾与水，从而减少错误警报的可能性。图4展示910nm/470nm传感器的类似测量值，在此情况中，当烟雾401被引入时，910nm信号上升，但910nm/470nm比率保持近似恒定。当水402被引入时，910nm信号和910nm/470nm比率两者皆增加。
63.可使用类似技术来基于相同物质的微粒的微粒大小(例如，烟雾微粒的大小)进行区分。一般而言，针对两个波长，随着微粒大小增加，由较高波长的散射产生的信号将比由较低波长的散射产生的信号降低得更快。因而，藉由监测绝对信号(即，由传感器在每个波长处产生的信号)和/或相对信号(即，由传感器在每个波长处产生的信号之间的差值和/或比率)，可基于微粒大小进行区分。
64.先前工作已展示以此方式避免灰尘的某种有限微粒大小区分，但这使用脉冲化光源，其中腔室藉由每个源分别照明，并且广谱传感器被用于检测散射。上述测量装置具有显
著优点，其不需要在不同光源之间的脉冲(因为它们同时在作用中，或可为单个广谱光源)，这意味着检测时间可显著缩短。
65.另外，使用多个波长容许改进对壳体的污染或由光源与传感器之间的不需要的反射(即，来自壳体本身而非来自所感兴趣微粒的反射)所引起的“杂散光”的抵抗力。污染将趋于提供持续减少的特定波长的“杂散”信号，并且检测到污染可触发传感器的重新校准或传感器需要保养的警示。利用多个波长，有可能存在甚至在存在污染的情况下仍将容许传感器的有用操作的至少一个波长。
66.另外，随着(若干)光源老化，波长的相对强度可改变，这也可用于触发校准和/或保养警示。
67.可针对(若干)光源的功率谱校准传感器。
68.检测器可被配置为在检测器感测清洁空气时，例如，在检测光在低值附近稳定达至少预定时间(例如，至少1分钟，或至少1小时)时，执行自校准例程。
69.虽然上文已提供使用两个波长的示例，但可使用更大数量的波长。使用光谱传感器或具有大量用于波长检测的独立范围的其他光学传感器以及广谱光源容许藉由软件更改感兴趣波长，而非需要对单元进行物理改变，如果开发出更好的检测技术，则这是容许对单元升级的显著改进。
70.开放式形式因子(open form factor)微粒测量装置
71.可构造一种不需要散射腔室的微粒测量装置。这尤其有用，因为其增加至检测区域的气流，并且容许显著较小的装置。
72.图5中展示示例性微粒测量装置。该装置包括照明至少目标区域的光源501，以及检测由目标区域内的微粒503散射的光的检测器502。光源501和检测器501的任一者或两者可配备有优化它们性能(例如，聚焦出射光/入射光)的光学装置504。
73.消除背景光
74.在预期存在背景光的情况下，检测器可被配置为减小该光对所得信号的影响。
75.在第一示例性方法中，关闭灯且监测来自检测器的信号以获得“背景信号”。接着，在开启光源501时从检测器进行的未来测量中减去背景信号。
76.在应用于如先前所描述的多波长检测器的第二示例性方法中，如上获得背景信号。分析背景信号以确定多波长检测器所使用的哪一个或多个波长具有显著背景光(例如，低于阈值，或作为其他通道的背景光的一部分)，并且这些波长用于检测。如果期望在特定频带中的多个波长(例如，以避免归因于水蒸气的错误警报)，则可针对每个频带(例如，针对可见光和近红外光两者)重复该过程。
77.藉由脉冲光源，可频繁地执行上述两个示例的任一者，而对测量时间仅有较小影响(这将比提高灵敏度所补偿的更多)。
78.在第三示例性方法中，可藉由如信号处理领域中已知的任何适合方法对光源进行频率调制，并且可例如使用相敏锁定(phase-sensitive lock-in)对来自检测器的信号进行解调制。
79.可组合上述三个示例的每一个，例如，可获得背景信号，且将背景信号用于确定最适合的波长并从最终测量值中减去背景信号，或可确定最适合的波长，且对该波长使用频率调制以进一步改进信噪比。
80.微粒位置及运动的检测
81.在具有脉冲化光源的微粒检测器中，“飞行时间”(即，光源的脉冲的起始与传感器信号中的对应脉冲的起始之间的时间差)可用于确定微粒的距离。在多个脉冲内比较这些测量值可用于估计微粒的速度。可以多种方式使用该信息。
82.首先，烟雾趋于移动，因此任何静止检测都不太可能为烟雾，例如，其可为腔室(对于封闭检测器)或环境(对于开放检测器)的特征，或其可为已沉降于腔室壁上的灰尘。另外，烟雾趋于上升，因此下落对象同样不太可能为烟雾。最后，烟雾趋于以中等速度移动，因此快速移动的对象不太可能为烟雾(就开放检测器而言，它们可为例如飞虫)。
83.其次，距离测量值可用作测量微粒的密度的代理，随着流体传播微粒的数量密度更高，预期平均微粒距离测量值会更低。
84.火灾阶段的检测
85.藉由烟雾检测器区分微粒大小容许火灾检测的更智慧方法。例如，如图6中所展示，已发现，对于因电子器件引起的大多数火灾，存在产生少量极小(0.001微米至0.1微米)烟雾微粒的初始“焖烧”阶段601。随着焖烧加剧，微粒的数量和大小逐渐增加，并且接着随着明火602爆发而快速增加。
86.因而，藉由检测微粒的数量和大小，可检测和区分焖烧阶段与明火阶段，并且容许更早检测到焖烧阶段。例如，即使微粒的密度不够高而无法正常触发烟雾检测器，微粒的大小和数量两者的逐渐增加仍可指示焖火。
87.火灾阶段的区分可用于向住户和/或紧急服务机构提供更有用的通知，和/或启动自动对策。例如，如果焖烧电子器件在仍然焖烧时被关闭则通常可防止焖烧电子器件引起明火，并且这可自动完成或藉由已被适当通知的建筑物住户来完成。另一方面，明火是危险情形并且应警告建筑物住户寻求避免火灾的出口路线。
88.火灾的“简档”(即，随着火灾演变，微粒的数量密度和大小的变化)将取决于正在燃烧的材料和燃烧的阶段(例如，热解、焖烧、氧量过剩的火焰，或氧量不足的火焰)。例如，不同于上文所论述的电子器件火灾，正庚烷(通常在测试烟雾检测器时用作点火的燃料)在焖烧时将趋于产生少量较大微粒，并且在明火中时产生大量较小微粒。
89.可藉由使用能够区分测试火灾期间的微粒大小的检测器来针对特定材料或情形以实验方式(例如，使用单独材料的样本，或来自仿真“真实世界”房间中的火灾的测量值)确定火灾简档。接着，用于实际用途的烟雾检测器可使用这些火灾简档来检测火灾。
90.在示例中，烟雾检测器上可储存有若干火灾简档，并且如果经检测微粒的特性匹配简档的任一者则将发出警示，以指示火灾阶段和/或可能来源(例如，焖烧电子器件火灾，或木材明火(open wood fire))。可基于烟雾检测器的可能用途来选择火灾简档，例如，家庭火灾将具有与工业环境中的火灾非常不同的可能燃料范围。
91.集成式烟雾检测
92.上述改进中的一些容许较小烟雾检测器单元。目前，烟雾检测主要藉由体积相对较大的专用装置实行。代替性地，可将利用上述改进的一个或多个的小烟雾检测模块集成在其他装置内用于较早检测到引起焖烧或火灾的故障。
93.在一个示例中，烟雾检测可集成在电子装置内，尤其是具有引起火灾的危险的电子装置(例如，具有大电池或用于给大电池充电的装置，诸如电动汽车；具有加热元件的装
置，诸如干燥机；电子烟和咖啡机；或具有高功率负载的装置，诸如烤箱和冰箱)。检测器包括光源和传感器，其中光源照明检测区域，并且传感器经定位以检测来自检测区域的散射光。检测器也可包括容纳光源和传感器并且具有容许气流通过检测区域的通道的壳体。替代地，检测器可为上文所论述的“开放式形式因子”类型，并且可不具有特定壳体(但可集成在电子装置的壳体内)。
94.在检测到烟雾时，电子装置可被配置为发出警报和/或采取适当对策(诸如关闭装置)。
95.检测器可利用上文所描述的“火灾简档”，例如，将装置(诸如焖烧电子器件)的已知燃烧风险或织物的燃烧(针对干燥机)的简档储存于其上。经检测的火灾类型可用于在检测到烟雾时确定适当对策和/或警示级别。例如，在其中检测到焖烧电子器件的装置中，可将该装置切断电源并且仅发出低级警示，而在其中检测到明火的装置中，可切断电源并发出较响警示。
96.在另一示例中，烟雾检测可集成在具有高气流的装置(诸如通风单元)内，以检测单元的输入侧上的火灾。这在例如厨房烹饪处上方的通风柜(fume hood)中尤其有用。在此情况中，烟雾的检测是用于发出警示，但如果烟雾检测单元有能力启动对策则其也可启动对策(例如，连接至可关闭的“智慧烤箱”，或有权切断厨房内的电器的电源)。
97.在又一示例中，检测器可作为特定烟雾检测单元或作为现有便携设备(诸如移动电话)的一部分提供于便携设备内。这容许使用者甚至在它们无法控制的环境中(例如，当拜访别人家时)仍有烟雾检测器以确保安全。
98.示例性图
99.图7展示示例性微粒检测器。该微粒检测器包括一个或多个光源701、光学传感器702和控制器703。一个或多个光源共同操作以同时产生至少两个波长范围的发射光711。光学传感器702被配置为感测该至少两个波长范围的光并且区分每个范围。由光学传感器702感测的光是来自由检测器监测的区域中的微粒713的散射光712。控制器703被配置为基于由光学传感器702感测的光712检测这些微粒713。
100.图8是检测火灾的示例性方法的流程图。在步骤801中，提供能够检测烟雾微粒并且确定经检测微粒的大小的微粒检测器。在步骤802中，比较来自该微粒检测器的测量值与一个或多个先前确定的简档，每个简档包括关于火灾的微粒大小和密度随时间的预期演变的信息。在步骤803中，如果检测器的测量值的时间演变对应于简档之一，则发信号通知检测到火灾。
101.进一步说明
102.本发明的实施例可用于许多不同应用中，包含烟雾检测、空气过滤、流体产品(例如，压缩气体或水)的质量保证及其他工业。对于烟雾检测，示例可用于住宅和商业地产两者，或用于包括但不限于电动汽车及它们的充电器、干燥机、烤箱、其他厨房电器、电子烟或任何其他电子装置的装置内。
103.附图标记：
104.101:光源
105.102:光学传感器
106.103:外壳体
107.104:暗壳体
108.105:散射腔室
109.106:光
110.107:烟雾
111.108:散射光
112.301:引入至检测器的烟雾
113.302:引入至检测器的水
114.401:引入至检测器的烟雾
115.402:引入至检测器的水
116.501:光源
117.502:检测器
118.503:微粒
119.504:光学装置
120.601:焖火
121.602:明火
122.701:光源(一个或多个)
123.702:光学传感器
124.703:控制器
125.711:发射光
126.712:散射光
127.713:微粒
128.801:示例性方法的第一步骤
129.802:示例性方法的第二步骤
130.803:示例性方法的第三步骤
131.本领域技术人员将理解，在先前描述和随附权利要求书中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考概念绘示(诸如附图中所展示的概念绘示)给出。这些术语是为便于参考而使用，但并不意欲具有限制性质。因此，当处于如附图中所展示的定向时，这些术语应被理解为指代对象。
132.在本文中使用术语“光”的情况下，其不限于可见光，而是也包含电磁光谱的其他部分(例如，可见光、红外光和/或紫外光)。类似地，在传感器被描述为“光学”的情况下，这不将其限于检测可见光，而是包含落在上述定义内的任何光。
133.尽管已依据如上文所阐述的示例描述本发明，但应理解，这些示例仅为阐释性的并且权利要求不限于该示例。鉴于本发明，本领域技术人员将能够进行修改和替换，预期该修改和替换落在随附权利要求的范围内。本说明书中所公开或绘示的每个特征可单独地或与本文中所公开或绘示的任何其他特征以任何适当组合并入于任何实施例中。